Aims & Scope

석화목층이 발달한 지역은 감포역암(Chwae et al., 1988)이 분포하는 지역으로, 석화목층은 감포역암 내 응회암층(Son et al. (2000a)의 팔조리응회암)에 발달되어 있다(그림 2a). 이 지역 일대의 지층에 대해서 Tateiwa (1924)와 Kim (1970)은 어일분지 장기층군의 어일층으로 분류하였으며, Yoon (1992)은 양남분지 장기층군의 전동층으로, Chang et al. (2007)는 어일분지 장기층군의 노동리역암으로 분류하였다. 이와 함께 1:25,000 어일 지질도폭(Chwae et al., 1988)에서는 어일분지 어일층군의 감포역암 내에 발달한 응회암이 분포하는 것으로 나타나있다. Chwae et al. (1988)은 어일층군을 하부로부터 감포역암, 어일현무암 및 현무암질 응회암, 분통골 화산암류로 세분하였고, 그 중 어일층군의 기저를 이루는 감포역암의 상부에 대체로 10 m 내외의 층후를 보이며 연속성이 비교적 양호한 응회암층이 1-3회 내재하는 것으로 기재하였다.

Fig. 2. 
Generalized stratigraphic sections of study area (a), and stratigraphic sections at sites 1 (b), 2 and 3 (c), and 4 (d).

이 응회암은 화산재응회암 또는 암편질 라필리응회암이며, 지역에 따라 쇄설성 퇴적물양의 횡적인 증가가 일어나 응회질 사암 내지 응회질 역암으로 변하는 것으로 보고되어 있다(Chwae et al., 1988). Son et al. (2000a)은 이 응회암을 어일분지 장기층군의 감포역암 내에 발달한 팔조리응회암으로 명명하였다. 연구 대상 석화목층 발달 지역 부근에 분포하는 퇴적층은 감포역암의 최상부 층준과 팔조리응회암으로, 전반적으로 역암, 사암, 이암, 응회암 등으로 이루어져 있다(그림 2a).

연구 지역에서의 석화목층을 함유한 응회암은 역암렌즈가 국부적으로 수반된 응회질사암층 위에 놓여 있으며, 응회암의 하부는 라필리를 함유한 암편질응회암으로 이루어져 있다. 이 응회암은 상부로 가면서 유리질 사립을 함유한 화산재응회암으로 변화하는 양상을 띤다. 이와 함께 응회암 내에는 1 m내외 두께의 역암이 협재되어 있다(그림 2b). 이 응회암층 하위에 발달된 역암은 대체적으로 분급이 양호한 사질 기질에 입자지지의 역들이 무질서하게 퇴적된 양상을 띠며, 렌즈상 내지 쐐기상으로 나타나고 사암이 층상 또는 렌즈상으로 협재되어 있다. 이 응회암층의 상위에는 다시 역암층이 두껍게 나타난다.

한편 석화목층 발달 노두(그림 1a의 1지점) 이외에 연구 지역 부근의 세 지점(그림 1a)에서 이 지역 감포역암 퇴적층의 특성이 추가적으로 파악되었으며, 이들 지점의 퇴적층 발달 특성은 다음과 같다. 2지점은 1지점 퇴적층의 연장부에 해당한다. 이 지점의 퇴적층 하부에는 식물잎편 화석들이 산출되는 이질암이 나타나며, 그 위에 응회질사암이 발달하고, 중부에는 사암렌즈를 협재한 왕자갈 내지 잔자갈역암이 우세하게 나타난다. 상부로 갈수록 응회질 퇴적물이 증가하면서 응회질암(tuffite) 및 암편질응회암으로 변화하며(그림 2c), 응회질암 내에서는 부분적으로 탄화된 석화목 파편(보존상태 불량)이 드물게 산출된다. 3지점은 2지점으로부터 동북동으로 약 50 m 이격되어 있는 지점으로 2지점 퇴적층의 하부 및 그 하위의 퇴적층이 나타나며(그림 2c), 이질암층에서는 2지점과 마찬가지로 식물잎편 화석들이 산출된다. 이 지점의 하부에는 석화목을 함유하지 않은 응회암층이 나타나며, 이 응회암층의 상부에는 부가상라필리응회암(accretionary lapilli tuff)이 렌즈상으로 산출된다.

최하부 층준 지점인 4지점의 퇴적층은 전반적으로 사암과 이질암의 교호층, 그리고 그 위에 놓이는 역암층으로 이루어져 있다(그림 2d). 하부에 나타나는 교호층은 대체로 판상의 층으로 나타나며, 이질암은 박층 또는 수십 cm 내지 1 m 내외의 두께로 나타난다. 사질층에서는 수직형의 서관구조가 부분적으로 관찰되며, 이질층에는 식물편 또는 식물뿌리흔적이 나타난다. 상부에 나타나는 역암층은 침식기저면을 가지며 발달하고, 대체로 층리와 분급이 불량하다. 한편 상부 역암층의 역들(3-10 cm 정도 크기)은 주로 백악기 내지 신생대 초기에 속하는 응회암과 셰일, 사암 등이며 화강암질과 석영질 역들이 일부 나타나고, 아원형 내지 아각형을 이룬다.

Fig. 3. 
Sectional outcrop view in study area and distribution map of the petrified woods in section, showing the dominance of Acer.

어일분지는 동해 형성과정에 이루어진 인리형 분지로서, 이 분지에는 충적선상지, 망상하천을 포함한 하성환경, 호성환경 등의 육성환경이 주로 발달하였으며(Jeong et al., 2006; Kwon et al., 2011), 분지발달 후기에는 천해환경이 부분적으로 발달된 것으로 해석되었다(Yoon, 1982; Yun et al., 1989). 연구지역의 퇴적층들은 망상하천 기원으로 해석되었으며(Kwon et al., 2011), 전술한 연구지역 4개 지점의 퇴적층 발달특성(그림 2, 3), 즉 하부로부터 응회질사암층과 이암층의 판상교호 및 괴상의 역암층 발달 - 응회질사암층과 이질암층의 판상 교호/역암과 사암의 렌즈상 교호층/응회질암과 암편질응회암 발달 - 응회질 함력사암층(부가상라필리응화암층 협재)위에 응회질암, 암편질응회암, 라필리응회암, 역암 발달 등의 퇴적특성은 망상하천과 망상평원의 환경이 발달한 가운데에 화쇄류층의 퇴적과 이의 재동이 간헐적으로 일어나는 환경이었음을 뒷받침해 준다(Jeong et al., 2006; Kown et al., 2011).

한편 연구지역 석화목층 및 수반된 퇴적층에서의 한대와 온대 및 난대성 종류 석화목들의 혼합 산출, 규모가 큰 건열이나 버티졸고토양을 비롯한 고토양 발달의 부재, 척추동물 화석의 부재 등의 특성은 장기층군 신정리층에 발달한 석화목층의 발달특성(Paik et al., 2011)과 유사한 것으로, 다음과 같은 고환경 조건, 즉 이들 나무들이 생육하였던 기원 산지에 고도에 따라 난대종에서 한대종까지 나타날 수 있을 만큼의 고산지대 발달, 열악한 분지 내 식생, 비교적 빠른 퇴적속도 등의 퇴적 조건(Paik et al., 2011)을 지시한다.

전술한 석화목의 장축 방향 특성은 석화목들이 퇴적될 당시에 나무줄기 파편들이 남동에서 북서 방향으로 운반되어 왔음을 지시해 주는 것으로 화산분출의 중심부가 남동측에 위치하였음을 시사해 주며, 이와 같은 방향 특성은 연구 지역 화쇄류층의 퇴적특성으로부터 해석된 결과(Jeong et al., 2006)와 일치한다. 한편 통나무형 석화목은 북서-남동의 방향을, 판상의 석화목들은 북동-남서의 장축 방향을 보임은 이들 석화목들이 미끌림과 함께 굴림의 양상으로도 이동이 되었음을 시사해 준다. 즉 석화목 양끝의 직경이 다르게 나타나는 통나무형 석화목들의 경우에는 대체로 미끌림의 상태로 운반되었고, 석화목 양끝의 직경에 차이가 거의 없는 가지상 또는 파편상의 석화목들은 주로 굴림의 상태로 운반이 되었을 것으로 해석된다.

한편 연구지역 석화목들에서 제자리 기원의 서 있는 상태의 석화목이나 통나무화석의 집단 산출이 나타나지 않으며, 산출된 석화목편들의 길이가 대부분 수 m 이상을 넘지 않음은 이들 석화목층의 퇴적이 화산분출 중심부로부터 비교적 먼 거리에 위치하였음을 지시해 준다. 이와 함께 산출된 석화목의 장축 방향들이 비교적 분산되어 있는 산상 또한 화산분출 중심부로부터 비교적 먼 거리에 위치하였음을 뒷받침해 준다. 그럼에도 불구하고 석화목 내에 퇴적물로 충전된 불규칙 또는 방사상의 균열이 형성되어 있음은 퇴적 당시 화산재가 가지고 있는 열이 잔존된 상태에서 퇴적이 이루어졌음을 시사한다(Scott, 2010).

신생대 신제3기 마이오세의 전기에 해당하는 포항 장기분지의 하부함탄층과 그 상위인 상부함탄층에서 산출되는 석화목에 대한 연구가 수행되어(Jeong et al., 2004, 2009; Lim et al., 2010), 하부함탄층은 냉온대를 지시하는 아니아이형 식물상(Aniai-type Flora)으로, 상부함탄층은 아니아이형 식물상과 난온대를 지시하는 다이지마형 식물상(Daijima-type Flora)의 이행형 식물상(transition-type flora)으로 보고된 바 있다.

연구지역 산출 석화목의 경우, 전술한 바와 같이 무환자나무과(단풍나무과)가 절반 이상을 차지하며 자작나무과와 느릅나무과 등이 나타난다. 따라서 연구지역 석화목 식물상은 장기분지의 하부함탄층 식물상과 매우 유사한 조성을 보이며, 이는 전형적인 냉온대를 지시하는 아니아이형 식물상에 해당한다. 우점속으로 나타나는 단풍나무속 개체들의 직경은 다양하며(최대 60 cm 정도), 이는 단풍나무 종류가 소교목에서 교목에 이르기까지 매우 다양하였음을 시사한다. 한편 단풍나무를 비롯하여 모두 피자식물로만 이루어진 연구지역 석화목의 고식물상 특성은 퇴적 당시 연구지역 부근의 산지에는 다수의 단풍나무 종류가 우점한 쌍자엽식물로만 구성된 수목상이 발달하였음을 지시해 준다.

이들 연구지역 퇴적층의 퇴적특성과 고식물상의 특성을 종합적으로 고려할 때, 퇴적 당시인 마이오세 초기 당시 연구지역의 고환경은 다음과 같이 요약될 수 있다.

연구지역은 산기슭부의 완사면에서 저평지에 이르는 곳에 발달한 망상하천과 망상평원의 지형으로 이루어진 곳이었으며, 당시 주변 산지의 사면과 계곡부에는 무환자나무과(단풍나무과)를 비롯한 냉온대성의 자작나무과, 느릅나무과, 장미과 등의 나무들이 생육하였고, 일부 양지 바른 저지대에 아욱과의 난온대성 나무가 생육하였을 것이다. 연구지역의 퇴적 당시 기후는 전반적으로 냉온대성인 가운데에 비교적 습윤한 편이었을 것으로 해석된다. 비록 적은 개체이지만 석화목에서 곤충에 의한 천공구조가 전혀 관찰되지 않음은 당시의 기후조건이 비교적 한랭하였음을 뒷받침해 준다.

한편 연구지역 지층의 지질시대(마이오세 초기)와 고식물상(냉온대성)이 연구지역보다 북측에 위치한 장기분지의 금광동층과 전반적으로 유사함에도 불구하고, 연구지역의 퇴적층에서 난온대성의 아욱과 레베시아속의 석화목이 산출됨은 연구지역이 냉온대성과 난온대성이 혼재하는 기후적 경계부에 위치했을 가능성을 시사해 준다(Jeong et al., 2011).

이 지역에서 일어난 화산분출의 경우, 초기에는 화산재 분출에 의한 구름의 형성과 강우를 동반한 화산재 낙하에 의한 퇴적이 일어났으며, 이후 일시적으로 화산분출활동이 약화되었다가, 이후 화쇄류를 동반한 화산분출이 발생하여, 이 때 산지에 생육하거나 고사되어 있던 나무들이 저지대로 운반되어 매몰된 것으로 해석된다(그림 10).

Fig. 10. 
Schematic diagram showing the depositional setting of the petrified wood-bearing deposits in study area.